Bruk kort-til-kort-kontakter med stram gjenge for å optimalisere systempakke

Løsninger med ett kort sparer plass ved å plassere all elektronikken i et system på ett lite, antageligvis billigere, kretskort. Når det gjelder ettkortsdatamaskiner (SBC-er), må designerne arbeide hardt for å få plass til like mye behandlingskapasitet, funksjonalitet og I/O som mulig på dette kretskortet. Realiteten er imidlertid at det finnes mange tilfeller innen industrielle, forbrukerrelaterte og medisinske bruksområder der ett kort ikke er den beste løsningen, og derfor er det nødvendig med flere kretskort. Det er her kort-til-kort-kontakter (BTB) blir veldig viktig.

Til tross for all kretskompleksiteten som kan gå med til å designe flere kort i et system, kan det å ikke ta hensyn til riktig BTB-kontakt undergrave designet fullstendig. Dette kan skje enten på forhånd på grunn av formfaktorproblemer eller problemer med signalintegritet, eller senere i feltet på grunn av feil ved bruk (eller misbruk).

Denne artikkelen ser på designproblemene som driver behovet for BTB-kontakter, og faktorene som designere må vurdere når de velger BTB-kontakter fra det brede utvalget av tilgjengelige alternativer. Disse inkluderer kretseffekt, produksjonskrav, bruksmodell, enkel reparasjon, type signaler, størrelse på kontakt, og antall kontaktposisjoner, radiofrekvensinterferens (RFI) og elektromagnetisk interferens (EMI), bare for å nevne noen. Det brukes som eksempel for å introdusere eksempler på løsninger for BTB-kontakter fra Phoenix Contact, for å vise hvordan de kan løse designeres problemer med korttilkobling.

Hvorfor bruke BTB-kontakter?

Det finnes minst ti design-, produksjons- og markedsføringssituasjoner der det er fornuftig å bruke to eller flere sammenkoblede kretskort i stedet for ett:

1. Der skjemafaktorbegrensninger innskrenker den totale størrelsen på en enkelt, større korttilnærming, og det er nødvendig med en tredimensjonal anordning for å utnytte tilgjengelig pakkedybde.
2. Der det er uakseptabelt å plassere høysensitive, analoge I/O- eller RF-kretser på lavt nivå, i nærheten av høyhastighets, støyende digitale kretser.
3. Der høye spenninger er til stede, og god konstruksjonspraksis samt regulerende standarder bemyndiger separering.
4. Der termiske anliggender krever å plassere varmere komponenter på et eget sted for forbedret avledning og termisk styring.
5. Der en gitt kretsdel kan brukes for første gang eller på nytt på tvers av flere versjoner av et produkt, for eksempel et kjerneprosessorkort som er paret med en grunnleggende flerlinjebrukerskjerm og trykknapper, i tillegg til en mer sofistikert grafisk berøringsskjerm for ulike modeller av et alarm- eller sensorsystem.
6. Der produksjon krever spesielle komponenter, for eksempel strømenheter og kjøleelementer som krever en spesiell produksjons-/monteringsprosess eller manuell innsetting, mens resten kan bruke automatisert innsetting og lodding.
7. Der leverandøren forventer å oppgradere én funksjon i et system, for eksempel prosessor og minne, men ønsker å la den analoge funksjonen være uendret for teknisk sikring og kostnadsavskrivning.
8. Der felterfaring indikerer at én del av systemet, for eksempel utoverrettet I/O, høyst sannsynlig trenger felterstatning, mens interne kjernefunksjoner, for eksempel prosessor og minne, har lengre middeltid før første avbrudd (MTTF).
9. Der noen komponenter trenger tykkere kretskortmateriale og tyngre kobberkledning, for eksempel som for kraftkomponenter.
10. Der EMI/RFI hensyn og -anliggender bemyndiger separering mellom funksjoner, og kanskje til og med RF-skjerming av deler av kretsene.

Det er tydelig at det finnes mange legitime design-, produksjons- og støtteårsaker til å velge eller insistere på å bruke flere kretskort. Blant bruksområdene dette skjer i, er industrielle kontrollsystemer, motorkontroller, programmerbare logiske kontrollere (PLS-er), alarm- og sikkerhetsenheter, medisinske systemer, for eksempel bærbare røntgen- eller ultralydmaskiner, og enheter med ulike HMI (menneske-maskin-grensesnitt) (Figur 1).

Figur 1: Mange produkter drar enten nytte av, eller har absolutt behov for, ett eller flere kretskort som gjør det nødvendig med BTB-kontakter, men de må velges nøye. (Bildekilde: Phoenix Contact)

Slik velger du et BTB-kontakt

Når beslutningen om å bruke to eller flere tilkoblede kretskort er tatt, må designere velge egnede BTB-kontakter. I nesten alle tilfeller er det ikke bare et spørsmål om å finne et enkelt par kontakter med de riktige grunnleggende spesifikasjonene som driver denne avgjørelsen. I stedet er det klokt å først identifisere en familie med fullt kompatible kontakter med ulike BTB-alternativer, slik at designvalget ikke er begrenset på forhånd.

Et raskt blikk på de forskjellige kontaktene som tilbys, til og med fra én enkelt andelsleverandør, kan få beslutningsprosessen til å virke overveldende, men slik er det ikke egentlig. Ettersom designere fokuserer på sine prioriteringer, begrensninger og nødvendigheter, blir valget mellom hvilke bestemte kontakter som skal brukes, vanligvis ganske lite. Videre betyr tilgjengeligheten av så mange stiler for kontakter, at designerne kan finne en paring som optimalt balanserer de uunngåelige tekniske avveiningene med minimalt kompromiss.

Designere kan bruke avanserte DAK-verktøy (datamaskinassistert konstruksjon) til å modellere mulige fysiske konfigurasjoner og mulige BTB-tilpassinger, inkludert mezzanine, mor-datter og fellesplan, i tillegg til ubegrenset via båndkabler (Figur 2). Det er imidlertid ikke nødvendig å «hoppe til DAK», ettersom mindre avanserte teknikker også kan være svært effektive i innledende evalueringer og har blitt brukt, inkludert bruk av instruksjonsmodeller i papp, i ulike kretsstørrelser og -anordninger.

Figur 2: Kort-til-kort-kontakter kan ha en rekke tilpassinger og oppsett, inkludert mezzanine-, mor-datter-, fellesplan- og ubegrensede båndkabler. (Bildekilde: Phoenix Contact)

Utforsk frihetsgrader

Utover grunnleggende tilpassinger, gir tilgjengeligheten av så mange versjoner av kontakter, designere alternativer for oppsett og plassering. Designeren kan for eksempel velge å bruke to mindre BTB-kontakter, der hver av dem har færre posisjoner, i stedet for ett kontakt med flere posisjoner. Dette kan forenkle kortoppsettet og fjerne behovet for at enkelte signaler må strømme gjennom hele lengden på kretskortet.

Phoenix Contacts FINEPITCH 1,27-serie (1,27 millimeter (mm) gjenge), for eksempel, er tilgjengelig med 12, 16, 20, 26, 32, 40, 50, 68, 80 posisjonsversjoner. Obs! 1,27 mm er nøyaktig 0,05 tommer, eller 50 milli-inch, en vanlig gjenge). Vurder to vertikale, hunnkontakter i serien: 26–kontakt 1714894, som har en bredde på 21,6 mm, og den ellers identiske 12-kontakten 1714891 med en bredde på 12,71 mm, litt over halvparten av 26-kontaktversjonen (Figur 3).

Bruk av disse to mindre kontaktene på forskjellige steder på kretskortet forårsaker minimal avtrykksstraff, og denne oppveies ofte med mengden plass som er nødvendig for kretskortsporene, i tillegg til forbedret signalintegritet. På samme måte består Phoenix Contacts FINEPITCH 0,8-serie (0,8 mm gjenge) av en rekke kontakter med 0,8 mm gjenge som begynner med 12-posisjonen, 9,58 mm lang 1043682-stikkontakt og strekker seg til 80 posisjoner (Figur 4).

Figur 3: Den minste kontakten i FINEPITCH 1,27 mm-serien er denne 12-posisjons 1714891-versjonen med en lang aksebredde på 12,71 mm. (Bildekilde: Phoenix Contact)

Figur 4: Phoenix Contacts FINEPITCH 0,8-serie med kontakter har 0,8 mm gjenge, med det minste medlemmet som er 12-posisjon 1043682 med en lengde på 9,58 mm. (Bildekilde: Phoenix Contact)

Et annet problem er høyden på kontakten, så designerne kan sørge for at to justerte, parallelle kort pares og passer i kabinettet, med hvert kort på en optimal plassering. Et prosessorkort kan festes til baksiden av produkthuset, mens et annet kort med brukerens skjerm og knapper kan sitte fluktende inntil frontpanelet.

På grunn av dette er koblinger tilgjengelige med identisk posisjonsantall, lengde og bredde, men med én hovedforskjell: høydene. Ved å blande forskjellige høyder, kan et stort område med avstand mellom kort, kalt stabelhøyde, støttes. Vertikale hunnkoblinger i Phoenix Contacts FINEPITCH 1,27-familie, for eksempel, er tilgjengelige med to høyder på 6,25 og 9,05 mm, mens den parede vertikale hannkoblingen tilbys med 1,75 og 3,25 mm høyder.

I tillegg – og dette er avgjørende – har det parede paret en «berøringslengde» på 1,5 mm, samtidig som en pålitelig berøringslengde for kontaktoverflaten på 0,9 mm, opprettholdes. Som et resultat finnes det et sammenhengende, ikke-trinnformet område med tilgjengelig kort-til-kort-avstand fra 8,0 til 13,8 mm (Figur 5). Bruk av en liknende plan støtter Phoenix Contacts FINEPITCH 0,8-familien med kontakter, med forskjellige høyder og berøringslengder enn FINEPITCH 1,27-familien, et sammenhengende område på 6 til 12 mm. Som en ekstra fordel løsner den iboende fleksibiliteten i BTB-paringsavstanden også monteringstoleranser i produksjon.

Figur 5: På grunn av de tilgjengelige frittstående høydene for hann- og hunn-kontaktene i FINEPITCH 1,27-serien og deres lange berøringslengde, kan den faktiske BTB-stabelhøyden være alt fra 8,0 til 13,8 mm. (Bildekilde: Phoenix Contact

Støtte for EMC- og RF-behov

Det forventes at høytetthets BTB-kontakter med flere kontakter støtter båndbredder som går langt utover strøm- og lavfrekvenssignaler, og dermed minimerer behovet for flere frittstående kabelenheter der hver kabel støtter ett enkelt signal. Tilkoblingseffekt i gigahertz-området samt evnen til å opprettholde signalintegritet ved disse frekvensene, er kritiske parametere. Samtidig må det tas hensyn til elektromagnetisk kompatibilitet (EMC), for å sikre at høyhastighetssignalene i kontakten ikke påvirkes, og heller ikke påvirkes av signaler i nærheten.

Noen familier av kontakter er unikt designet for å møte hensynet til båndbredde og EMC. Phoenix Contacts FINEPITCH 0,8-serie støtter for eksempel datahastigheter til 16 gigabiter/sekund (Gbits/s) og inkluderer flere kort-til-kort-skjermingsbaner ved paring (Figur 6), noe som resulterer i utmerkede EMC-egenskaper (Figur 7).

Figur 6: FINEPITCH 0,8-serien inkluderer flere kort-til-kort-skjermingsbaner ved paring for forsterket skjerming. (Bildekilde: Phoenix Contact)

Figur 7: Dette bildet av det elektriske feltet rundt en kontakt fra FINEPITCH 0,8 serien, viser effekten til skjermingen. Mørkeblå indikerer en elektrisk feltstyrke på 0 til 0,1 volt/meter (V/m), mens dyprød er 1,0 V/m. (Bildekilde: Phoenix Contact)

S-parametere er tilgjengelige for disse kontaktene, for å støtte modellering med høykvalitets RF-signalvei, sammen med data for innskuddsdempning, fjern-krysstale (FEXT), som måles på mottakersiden, og lokal krysstale (NEXT), som måles på sendersiden (Figur 8).

Figur 8: Kontakter for høye datahastigheter, for eksempel FINEPITCH 0,8-serien, inkluderer grafer over (venstre) innskuddsdempning og (høyre) lokal krysstale til 10 GHz. (Bildekilde: Phoenix Contact)

Gå utover det åpenbare

Til tross for den åpenbare enkelheten til kontaktfunksjonen, krever valget av en egnet kontaktfamilie også at det tas andre hensyn. Blant disse er:

• Kompatibilitet med standard produksjonsprosesser med høyt volum (lasting og lodding), som også krever en høy grad av koplanaritet hos kontaktene på hele hoveddelen, vanligvis bedre enn 0,1 mm.
• Antall innskuddssykluser som det er garantert effekt for, selv om kontaktflatepletteringen slites ned etter gjentatte sykluser; regnes 500 sykluser som høyeste ytelsesnivå. Phoenix Contacts FINEPITCH 0,8-familie opprettholder kontaktmotstand på mindre enn 20 milliohm (mΩ), mens FINEPITCH 1,27-familien fremdeles er under 25 mΩ etter 500 sykluser (per IEC 60512-2-1:2002-02).
• Det er også en fare for radiell og vinkelformet feiljustering når to kort og tilknyttede kontakter pares.

Det siste punktet, feiljustering, er ganske enkelt en realitet som designere må ta med i betraktningen. I en perfekt verden ville midtlinjene på hann- og hunnkontaktene vært perfekt sentrert uten helling i forhold til hverandre. Gitt den lille dimensjonen til disse fingjengede kontaktene, kan det se ut som at ingen slike feiltilpasninger er tillatt, men en god design på kontakten gir rom for enkelte feiltilpasninger for begge parametere.

ScaleX-teknologien i FINEPITCH 0,8- og FINEPITCH 1,27-serien lykkes i å ta hensyn til dette faktum, ved å tilby en husgeometri som gjør mer enn bare å beskytte kontaktene mot skader ved feiltilpasninger. Den gir også tilsvarende toleransekompensasjon med en midtforskyvning på ±0,7 mm og en skråstillingstoleranse på ±2 °/±4 ° langs skråstilte og langsgående akser (Figur 9).

Figur 9: Justeringer i virkeligheten er aldri perfekte, så kontaktene fra FINEPITCH 0,8 mm og FINEPITCH 1,27 tolererer skråstilt og langsgående vinkelfeil på opptil ±2 °/±4 °, og eksentrisk radiell feiljustering på opptil 0,7 mm. (Bildekilde: Phoenix Contact)

Det du ikke kan se, er også viktig

Selv om kontaktene ikke har prosessdimensjonene i nanometer for integrerte kretser, er kontaktene mekaniske strukturer med små elementer, stramme toleranser og ultratynne edelmetall- og ikke-edelmetallplater, mens hoveddelene også er presisjonsstøping. Med tanke på størrelsen på metallkontaktområdet og måten disse kontaktene er «begravd» i husene på, er det ikke mulig å se hva som trengs for å skape en svært pålitelig kontaktsone.

Ved disse dimensjonene trengs det et avansert design kombinert med evnen til å implementere den i produksjon med høyt volum, på en mikroelement skala. Derfor har FINEPITCH 0,8-serien med ScaleX-teknologi en unik dobbelkontakt. Når de pares, sørger kontaktene – et hann- og et hunnelement – for vibrasjonssikker tilkobling på et veldig avgrenset område. Kontaktene har også måkevinge-loddestifter, som er optimale for automatiske loddingsprosesser.

Når kort ikke kan koble til direkte

Selv om direkte BTB-plassering og -tilkobling er et attraktivt alternativ, finnes det situasjoner der det ikke er mulig at to eller flere kretskort passer sammen og kan pares direkte via BTB-kontakter. Dette kan være på grunn av formfaktoren til den generelle produktpakken, formen på kortene, elektriske og elektroniske hensyn ved plassering av et kort, eller termiske problemer.

For å imøtekomme disse situasjonene tilbyr Phoenix Contacts FINEPITCH 1,27-serie også hunnkontakter for isolasjonsforskyvning (IDC-er) som kan brukes med flatkabler. Bruk av disse fleksible flatkabel-tilkoblingene mellom to kretskort gjør at de kan være fysisk, men ikke elektrisk, atskilt, og at kortene ikke må være parallelle eller i rette vinkler i forhold til hverandre. Som med BTB-kontaktene tilbys disse i det fullstendige utvalget av 12- til og med 80-posisjoner. Phoenix Contacts 1714902 er den fritthengende 12-posisjonsversjonen (Figur 10). En panelmonteringsversjon er også tilgjengelig.

Figur 10: IDC-er, for eksempel 12-posisjons 1714902 med fritthengende kontakt fra FINEPITCH 1,27-serien, muliggjør bruken av fleksibel kabel i konfigurasjoner der direkte BTB-kontakt ikke er mulig – eller ønskelig. (Bildekilde: Phoenix Contact)

Den flate kabelen for IDC BTB-anordninger er også et høyteknologisk produkt med AWG på 30 (0,06 mm²) Litz-trådledere og valget mellom tre isolasjonstyper: grunnleggende PVC (–10°C til +105°C), høy temperatur (–40°C til +125 C) og en halogenfri versjon. Sistnevnte er påkrevd etter kode for noen installasjoner for å undertrykke brann, og danner også et «kull»-belegg som reduserer utslipp av giftige karbongasser og synlighetsreduserende røyk og karbonpartikler.

Siden det finnes fem distinkte tilpassinger og oppsett for kontakter (Figur 11), ni størrelser for kontakter som støtter mellom 12 og 80 posisjoner, fleksible kabellengder fra en ganske kort 5 cm (~ 2 tommer) til en mye lengre 95 cm (~ 37,5 tommer), og tre tilgjengelige isolasjonstyper, er det over 10 000 mulige permutasjoner som inneholder disse alternativene. Det er upraktisk å ha alle disse som lagervare, så disse IDC-kabelenhetene produseres etter behov ved å bruke ønsket paring og konfigurasjon for kontakt/kabel.

Figur 11: Viser tre av de fem tilgjengelige tilpassinger og oppsett for kontakter til en IDC-kabel, som gir designere maksimal fleksibilitet for kabelplassering og minimale begrensninger ved å forenkle kabelkjøringer og plasseringer. (Bildekilde: Phoenix Contact)

Konklusjon

Kontakter og sammenkoblinger er avgjørende elementer i et komplett design, som det må tas tilstrekkelig hensyn til på forhånd. Når flere kretskort brukes, tilbyr BTB-kontakter en praktisk, pålitelig, høyeffektsteknikk for kobling mellom to eller flere kort i en rekke arrangementer.

Nyansene og kompleksiteten til disse kontaktene er ofte undervurdert, men som vist, tilbyr presisjonskonstruerte BTB-kontakter, for eksempel FINEPITCH 0,8- og FINEPITCH 1,27-serien fra Phoenix Contact, høy sammekoblingstetthet, overlegen mekanisk effekt, kompatibilitet med produksjonsprosesser og strømning, og elektrisk effekt som tilfredsstiller datahastigheten og EMC-kravene i dagens avanserte produktdesign.